In this master degree thesis we numerically study the propagation of acoustic waves in one-dimensional non-periodic medium. We focus on two kinds of medium: (1) a media with scale-free long-range correlated elasticity distribution and (2) medium with an aperiodic pseudo-random elasticity distribution. In the first case, the random elasticity distribution is assumed to have a power spectrum S (k) ~ 1 / kª. By using a transfer matrix method we solve the discrete version of the scalar wave equation and comput the location length. In addition, we apply a second-order infinite-difference method for both the time and spatial variables and study the nature of the waves that propagate in the chain. Our numerical data indicate the presence of extended acoustic waves for high degree of correlations. In contrast with local correlation, we numerically demonstrated that scale-free correlations promote a stable phase of free acoustic waves in the thermodynamic limit. In the another case, elasticity distribution was generated by using a sinusoidal function whose phase varies as a power law, φ α nv, where n labels the positions along the media. By considering again a discrete one-dimensional version of the wave equation and a matrix recursive reformulation we compute the location length within the band of allowed frequencies. Our numerical data indicates the presence of extended acoustic waves with non-zero frequency for a sufficient degree of aperiodicity. / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Nesta dissertação de mestrado estudamos numericamente a propagação de ondas acústicas em meios não periódicos unidimensionais. Nós nos concentramos em dois tipos de meios: (1) com distribuição da elasticidade possuindo correlação de longo alcance e (2) com distribuição aperiódica pseudo-aleatória. No primeiro caso, a elasticidade da distribuição aleatória é assumida ter um espectro de potência S(k)~1/kª. Usando o método de matriz de transferência resolvemos a versão discreta da equação da onda escalar e calculamos o comprimento de localização. Além disso, aplicamos o método de diferença infinita de segunda ordem para as variáveis temporal e espacial e estudamos a natureza das ondas que se propagem na cadeia. Nossos dados numéricos indicam a presença de ondas acústicas estendidas para alto grau de correlação. Em contraste com correlação local, demonstramos numericamente que correlações de livre-escala promovem uma fase estável com ondas acústicas livres no limite termodinâmico. No outro caso, a distribuição das constantes elásticas foram geradas usando uma função senoidal cuja faze varia como uma lei de potência, ϕ α nv , onde n rotula as posições ao longo da rede. Ao considerar novamente uma versão unidimensional discretizada da equação de onda e uma reformulação da matriz recursiva nós calculamos o comprimento de localização dentro da faixa de frequências permitidas. Nossos dados indicam a presença de ondas acústicas propagantes com frequência diferente de zero para um suficiente grau de aperiodicidade.

Esta pesquisa estuda a evolução temporal dos parâmetros de propagação acústica de uma mistura de líquidos imiscíveis considerada como emulsão instável durante o processo de separação de suas fases. O principal objetivo neste trabalho é estudar o comportamento não linear de materiais que variam sua não homogeneidade quando são submetidos a um campo acústico. O estudo é baseado na teoria de análise espectral de ecos de ultra-som para entender o processo físico de interação da onda - emulsão. A emulsão bifásica que tem sido analisada neste estudo é composta principlamente por um óleo mineral A e um óleo vegetal B. A metodologia é baseada na análise tempo freqüência de ecos e sinais de backscattering de ultra-som com uma freqüência central de 5 MHz e uma largura de banda de 8 MHz @ - 3dB. A velocidade média de propagação acústica para a mistura liquida foi estimada em 1354 m/s. O coeficiente de atenuação foi calculado para cada fase separada e se obtiveram os seguintes resultados: 0.82 dB/cm - MHz para o óleo A e 0.59 dB/cm - MHz para o óleo B. O parâmetro B/A avaliado para cada fase separada foi de: 8.43 para óleo A e 10.74 para o óleo B. A variação dos parâmetros acústicos descreveram a evolução da emulsão no tempo mediante o decremento das curvas de atenuação, B/A e IBC. A velocidade de propagação não forneceu informações relevantes a respeito do processo de separação das fases, devido a sua variação mínima. A percentagem média de variação dos parâmetros acústicos durante o processo dinâmico de separação das fases da emulsão foi de 1.39% para a velocidade de propagação, 46.9 para B e 51% para B/A. Espera-se que o estudo possa ser extrapolado para o melhor entendimento da interação de ondas de ultra-som em meios não homogêneos e variantes no tempo. / This research studies the time evolution of acoustic propagation parameters of a mixture of inmiscible liquids considerated as unstable emulsion during the separation process into its original phases. The main aspect of this work is to deal with the behavior of nonlinear, nonhomogeneous and time-varying media when they are submitted in an acoustic field. The study is based on spectral analysis theory of ultrasound-backscattered echoes for understanding of physical process of the wave-emulsion interaction. The biphasic emulsion, which has been analyzed during this study, is composed by a mineral oil (phase A) and vegetable oil (phase B). The methodology was based on time-frequency analysis of backscattered broadband ultrasound echo at center frequency of 5 MHz and bandwidth of 8 MHz @ -3dB using an ultrasound system in pulse-echo mode. The mean acoustic propagation velocity for the mixture liquid was estimated in 1354 m/s. The attenuation coefficients were calculated for each separated phase resulting in 0.82 dB/cm-MHz to phase A and 0.59 dB/cm-MHz to phase B. The B/A parameter have been evaluated resulting in 8.43 (phase A) and 10.74 (phase B). The acoustic parameters variation allowed identified different emulsification state inside emulsion. The time evolution for the emulsion was described throught the decrease of attenuation, B/A and IBC. The acoustic propagation velocity don\'t provide relevant information about the phases separation process, because it showed a minimal variation. The mean percentage variation for the time evolution of the acoustic parameters was 1.39% to the acoustic propagation velocity, 46.9% to B and 51% to B/A. We hope that observations can be extrapolated aiming a better understanding of ultrasonic waves interaction in non-homogeneous time-varying medium.

Nesta tese apresentamos a análise da absorção e do espalhamento de partículas não massivas de spins 0 e 1 por buracos negros de Schwarzschild, assim como a absorção e espalhamento por análogos acústicos destes buracos negros. Apresentamos também a análise da absorção e do espalhamento do campo escalar não massivo por buracos negros de Reissner-Nordström. A presente pesquisa se baseia no método de decomposição em ondas parciais. Devido a estes espaços-tempos serem estáticos e esfericamente simétricos, as partes temporal e angular das soluções das equações de campo se reduzem a funções conhecidas. O mesmo não acontece com a parte radial, o que nos leva a abordar o problema, principalmente, por meio de métodos numéricos. Cálculos analíticos também são realizados, geralmente para podermos verificar a precisão dos resultados numéricos. Os principais resultados analíticos mostrados aqui são a seção de choque de absorção em baixas e altas frequências e a seção de choque diferencial de espalhamento para ângulos próximos a 180 (efeito glória). Mostramos, de forma analítica, que as principais características das seções de choque de absorção e diferencial de espalhamento estão diretamente relacionadas à existência da órbita instável de partículas não massivas. Os nossos resultados numéricos estão em excelente concordância com os resultados obtidos por meio de cálculos analíticos. Com relação ao espaço-tempo de Reissner-Nordström, mostramos qual o comportamento das seções de choque com a variação da intensidade de carga do buraco negro. No caso de buracos negros descarregados, fazemos comparações das seções de choque obtidas para partículas de diferentes spins. / We present an analysis of the absorption and scattering of massless particles of spin 0 and 1 by Schwarzschild black holes, and the absorption and scattering by analogues of these black holes. We present also the analysis of the massless scalar field absorption and scattering by Reissner-Nordström black holes. This research is based on the partial wave methods. Since these spacetimes are static and spherically symmetric, the time and angular dependence of the field equation solutions can be written in terms of well known functions. The same does not happen with the radial part of the field equation solutions, so that we apply numerical methods to solve the absorption and scattering problem. Analytical computations are also performed and we use them to verify the precision of our numerical computations. The main analytical results obtained here are the low- and high-frequency absorption cross sections and the dierential scattering cross section for angles near 180 (the glory eect). We use our analytical results to show that the main cross sections properties are related to the existence of an unstable orbit for massless particles. We compare our numerical results with semiclassical approximations from a geodesic analysis, and find excellent agreement. In the Reissner-Nordström spacetime case, we show how the cross sections behave as we vary the black hole charge. For uncharged black holes, we compare cross sections for particles with dierent spins.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2016-03-31T15:07:28Z No. of bitstreams: 1 sarahstutzreis.pdf: 2710665 bytes, checksum: 3e112b0640b97d744e46b7134c227148 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2016-04-24T02:58:46Z (GMT) No. of bitstreams: 1 sarahstutzreis.pdf: 2710665 bytes, checksum: 3e112b0640b97d744e46b7134c227148 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-04-24T02:58:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 sarahstutzreis.pdf: 2710665 bytes, checksum: 3e112b0640b97d744e46b7134c227148 (MD5) Previous issue date: 2013-02-01 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Os delfinídeos exibem grande plasticidade de sinais acústicos e são capazes de adequar suas emissões sonoras frente à diferentes circunstâncias. Atualmente, a poluição sonora dos oceanos constitui uma ameaça aos cetáceos e esta questão tem sido pouco estudada em relação ao boto-cinza (Sotalia guianensis). Logo, seus sinais acústicos representam um aspecto biológico importante a ser compreendido. Neste contexto, este estudo visou caracterizar o repertório sonoro e investigar o ambiente acústico dos botos-cinza que utilizam a baía de Benevente, ES. As gravações foram realizadas utilizando-se hidrofone Cetacean Research C54XRS acoplado a gravador digital Fostex FR-2 LE gravando a 96kHz/24bits. Os dados coletados entre dezembro de 2011 e julho de 2012 totalizaram 27horas e 55minutos de esforço de gravação. Foram analisados 69 assobios, 42 sons pulsantes explosivos e 33 cadeias de cliques. Dentre os assobios o contorno mais comum foi o do tipo ascendente (N=37; 53%), seguido pelos tipos ascendente-descendente (N=15; 22%), múltiplo (N=13; 19%). A frequência fundamental dos assobios variou entre 3,51 kHz e 37,56 kHz. Os parâmetros analisados foram: duração, pontos de inflexão, frequências inicial, final, mínima, máxima, variação e frequências a 1/4, 1/2 e 3/4 da duração. A duração média destes sinais foi 0,298 segundos (DP= 0,147). Quanto aos sons pulsantes explosivos, o sinal do tipo “bray call” (N=36) foi mais comum e mais longo que o “buzz sound”(N=6). Estes dois tipos ocorreram imediatamente após ou próximos a cliques de ecolocalização. Em relação a estes, 33 cadeias foram analisadas e estas apresentaram 36,45 cliques (DP= 43,47) e 11,404 (DP= 21,226) segundos de duração, em média. Os intervalos entre cliques (ICI) duraram 0,308s (DP= 0,301), em média. Verificou-se dois padrões temporais distintos entre os ICIs: 81% (N=946) dos intervalos duraram entre 0,001 e 0,400 segundos e os 19% (N=224) restantes duraram entre 0,401 e 1,246 segundos. A maioria das médias dos parâmetros de frequência dos assobios foram superiores aos valores verificados em estudos com S. guianensis ao sul da área de estudo e inferiores aos valores de populações ao norte. Isto pode estar relacionado aos diferentes limites de frequência destes trabalhos e/ou à hipótese de que a frequência aumenta do sul para o norte. Os sons explosivos observados foram verificados anteriormente para S. guianensis e outros odontocetos. Além de apresentarem função social, também podem estar relacionados à obtenção de presas. A distribuição dos valores de ICI em padrões temporais distintos já foi observada para S. guianensis e outras espécies de golfinhos, podendo representar as distintas funções dos cliques de ecolocalização. O boto-cinza ocorreu em áreas onde existia um ruído antropogênico de baixa frequência. Na presença deste ruído ocorreram alterações no comportamento acústico que possivelmente expressam uma tentativa de compensar o efeito de mascaramento para manter a comunicação eficiente em um ambiente acústicamente poluído. / The Delphinidae exhibits great plasticity of acoustic signals and adapts their sound emission according to circumstances. Currently, ocean noise pollution is a threat to cetaceans and this issue has not been well studied in relation to the estuarine dolphin (Sotalia guianensis). Therefore, their acoustic signals represent an important biological aspect to be understood. In this context, this study aimed to characterize the sound repertoire and investigate the acoustic environment of estuarine dolphin in Benevente Bay, ES, Brazil. The recordings were performed using hydrophone Cetacean Research C54XRS coupled to digital recorder Fostex FR-2 LE recording at 96kHz/24bits. Data collected between December 2011 and July 2012 totaled 27 hours and 55 minutes of effort recording. We evaluated 69 whistles, 42 burst sounds and 33 clicks’ train. Among the whistles contour the most common type was ascending (N = 37, 53%), followed by ascending-descending (N = 15, 22%) and multiple (N = 13, 19%) types. The fundamental frequency of whistles ranged between 3.51 kHz and 37.56 kHz. The frequency parameters analyzed were: start, end, minimum, maximum, range and frequencies at 1/4, 1/2 and 3/4 of the duration. The duration and inflection points were also analyzed. The average duration of whistles was 0.298 second (SD = 0.147). About the burst pulse sounds the sign "bray call" (N = 36) was more common and longer than the "buzz sound" (N = 6). These two types occurred immediately after or near echolocation clicks. On these, 33 trains were analyzed and presented 36.45 (SD = 43.47) clicks and 11.404 (SD = 21.226) seconds, in average length. The interval between clicks or “Inter-click interval” (ICI) lasted 0.308 (SD = 0.301) seconds in average. It was also found two distinct temporal patterns for ICIs: 81% (N = 946) intervals lasted between 0.001 and 0.400 seconds and 19% (N = 224) lasted between 0.401 and 1.246 seconds. Most of the frequency parameters’ average from whistles were higher than those observed in studies with S. guianensis at south of the study area and lower than populations at north. This could be related to different frequency limits and/or the assumption that the frequency increases from south to north. The burst sounds observed were previously cited for S. guianensis and other odontocetes. Besides presenting a social function, these sounds may be related to obtaining prey. The distribution of the ICIs’ values in distinct temporal patterns was also reported for S. guianensis and other species of dolphins, which may represent the different functions of echolocation clicks. The estuarine dolphin occurred in the presence of a low-frequency anthropogenic noise. On this occasion there was a change in the acoustic behavior that possibly expresses an attempt to compensate for the effect of masking to maintain effective communication in an acoustically polluted environment.

El presente trabajo de investigación tuvo como objetivo principal el estudio de los niveles de ruido dentro de los hospitales, específicamente en las áreas de recuperación del Hospital del Niño, así como una propuesta para la reducción de los niveles de ruido. La medición de los niveles de ruido se efectuó en los corredores aledaños a los ambientes de recuperación, estas mediciones se realizaron con un sonómetro calibrado adecuadamente. De esta forma fue posible la determinación de los niveles de ruido máximo y su distribución en el horario diurno. La determinación de los niveles de ruido dentro de los ambientes de recuperación no fue posible, pues estos se encontraban en uso, durante el desarrollo del trabajo de investigación; sin embargo, se determinó la distribución espacial de los niveles de ruido mediante el modelamiento de la presión sonora, usando el software SoundPLAN. Finalmente, se propuso la colocación de paneles de corcho de e=20 mm, como una técnica que permita la reducción de los niveles de ruido dentro los ambientes de recuperación. Los resultados de las mediciones mostraron que los niveles de ruido pueden alcanzar los 79.4 dBA, en los corredores aledaños a las áreas de recuperación, mientras que los niveles de ruido alcanzaron los 55 dBA, dentro de los mismos, además, el uso de paneles de corcho permitió la reducción del ruido hasta en un 21%. / El presente trabajo de investigación tuvo como objetivo principal el estudio de los niveles de ruido dentro de los hospitales, específicamente en las áreas de recuperación del Hospital del Niño, así como una propuesta para la reducción de los niveles de ruido. La medición de los niveles de ruido se efectuó en los corredores aledaños a los ambientes de recuperación, estas mediciones se realizaron con un sonómetro calibrado adecuadamente. De esta forma fue posible la determinación de los niveles de ruido máximo y su distribución en el horario diurno. La determinación de los niveles de ruido dentro de los ambientes de recuperación no fue posible, pues estos se encontraban en uso, durante el desarrollo del trabajo de investigación; sin embargo, se determinó la distribución espacial de los niveles de ruido mediante el modelamiento de la presión sonora, usando el software SoundPLAN. Finalmente, se propuso la colocación de paneles de corcho de e=20 mm, como una técnica que permita la reducción de los niveles de ruido dentro los ambientes de recuperación. Los resultados de las mediciones mostraron que los niveles de ruido pueden alcanzar los 79.4 dBA, en los corredores aledaños a las áreas de recuperación, mientras que los niveles de ruido alcanzaron los 55 dBA, dentro de los mismos, además, el uso de paneles de corcho permitió la reducción del ruido hasta en un 21%. / Tesis

El objetivo global del estudio que esta memoria de tesis presenta consiste en evaluar la viabilidad de aplicar nuevos materiales absorbentes del sonido que intentan, por un lado, ser una alternativa a los clásicamente utilizados (como las lanas minerales) y, por otro, ofrecer una solución a una de las problemáticas actuales más importantes, como es el dar salida a los productos de desecho de las industrias textiles mediante el reciclado. Para ello, se han estudiado algunos de los parámetros que permiten caracterizar el comportamiento acústico de los materiales absorbentes del sonido (tales como la impedancia acústica, el coeficiente de absorción acústica y la resistencia específica al flujo, entre otros). También se han descrito diversos métodos de medida experimentales utilizados para obtener estos parámetros acústicos. De los métodos presentados en este trabajo, se ha centrado la atención en los basados en el tubo de impedancia acústica (o tubo de Kundt). Esta técnica presenta ventajas, como la de requerir sólo un pequeño espacio en laboratorio así como probetas de los materiales a estudiar no demasiado grandes. El estudio se ha asentado sobre tres pilares fundamentales: modelización matemática, caracterización acústica de materiales y simulación numérica. En primer lugar, tras repasar los principales modelos y teorías utilizados en la evaluación acústica de los materiales absorbentes sonoros de tipo poroso y fibroso, se propone un nuevo modelo matemático y se demuestra su validez para el tipo de materiales estudiados. Con respecto a la caracterización acústica, se han realizado diversas campañas de mediciones con el fin de obtener el coeficiente de absorción acústica y la resistencia específica al flujo de diversos materiales. Por último se aplica, mediante un programa informático basado en el método de los elementos finitos, la técnica de la simulación numérica con el fin de contrastar los resultados obtenidos experimentalmente, así como para la evaluación de un / Juliá Sanchis, E. (2008). Modelización, simulación y caracterización acústica de materiales para su uso en acústica arquitectónica [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/2932

La presente tesis se centra en la problemática existente a la hora de implementar un sistema de detección o clasificación binaria cuando es necesario combinar, integrar o fusionar diversas fuentes de información que pueden ser dependientes y heterogéneas entre sí. Las técnicas de fusión de datos tratan de combinar múltiples fuentes de información para alcanzar la exactitud y precisión en la toma de decisiones que no sería posible conseguir con el uso de una sola fuente de información de forma aislada. En un sistema de detección se pueden encontrar diferentes etapas y niveles de fusión: en la etapa de pre-detección encontramos los niveles de fusión de sensores y de características, donde se combinan los diferentes flujos de muestras proporcionados por una serie de sensores o diferentes características obtenidas del procesado estos; en la etapa de post- detección, se realiza la combinación de diferentes detectores, a través de la fusión de valoraciones continuas o de decisiones individuales aportadas por cada uno de ellos. Atendiendo al tipo de datos a combinar encontramos dos grupos: fusión soft, donde se combinan datos modelados mediante variables aleatorias continuas, caracterizadas mediante sus funciones de densidad de probabilidad (PDFs), o fusión hard, asociada a la combinación de las decisiones individuales tomadas en la etapa de fusión de detectores, donde se combinan datos binarios modelados mediante variables aleatorias discretas, caracterizadas por funciones de masa de probabilidad. Se destaca la fusión de scores como un caso particular de fusión soft asociada a la fusión de diversos detectores, en donde los datos a combinar presentan buenas propiedades discriminatorias de forma aislada y se encuentran definidos en un mismo rango normalizado [0,1]. En el presente trabajo se ha realizado una completa revisión del estado del arte en cuanto a técnicas de fusión y combinación de datos aplicadas en problemas de detección donde los datos pueden ser heterogéneos y dependientes entre sí. Se realiza una revisión en mayor profundidad de la técnica de estimación de PDFs basada en la teoría de cópulas, la cual puede ser usada en la fusión óptima de datos soft. Se destaca de forma especial tanto por su novedad e incipiente uso en el campo del procesado de señal, como por su adecuación en problemas de detección, permitiéndonos modelar de forma aislada las funciones marginales de los datos y la estructura de dependencia presente entre ellos, simplificando el problema de modelado de PDFs de datos heterogéneos y dependientes. Se ha propuesto una nueva técnica de fusión soft denominada integración-a, basada en una función de media-a, la cual, sin elevar mucho la complejidad, aporta un mayor grado de flexibilidad y de adaptación, siendo capaz de mejorar las prestaciones que se pueden obtener con respecto al resto de técnicas subóptimas utilizadas comúnmente en problemas de fusión de scores heterogéneos y dependientes entre sí. Se ha derivado un novedoso método de entrenamiento basado en el criterio de maximización parcial del área bajo la curva ROC. Se han utilizado diversas bases de datos públicas para poder testear y comprobar el correcto funcionamiento de las técnicas de fusión propuestas en problemas de autentificación multibiométrica. También se han aplicado algunas de las técnicas de fusión en la mejora de un sistema de detección de eventos acústicos. Se ha propuesto un nuevo tipo de detector basado en la teoría de cópulas denominado COCD para lidiar con el problema de la detección de señal desconocida en presencia de ruido aleatorio dependiente y no Gaussiano, centrándonos en su utilización para una aplicación de detección de eventos sonoros desconocidos. También se realiza un estudio de fusión de más de un canal de audio (utilizando más de un micrófono para captar diferentes señales) como método para incrementar las prestaciones obtenidas. / Soriano Tolosa, A. (2013). Fusión de datos estadísticamente dependientes en sistemas de detección [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/34780

[ES] El tratamiento de enfermedades neurológicas está muy limitado por la ineficiente penetración de los fármacos en el tejido cerebral dañado debido a la barrera hematoencefálica (BHE), lo que imposibilita mejorar la salud del paciente. La BHE es un mecanismo de protección natural para evitar la difusión de agentes potencialmente peligrosas para el sistema nervioso central. No obstante, la BHE se puede inhibir mediante ultrasonidos focalizados e inyección de microburbujas de forma segura, localizada y transitoria, una tecnología empleada mundialmente. La principal ventaja es su carácter no invasivo, siendo así muy atractiva y cómoda para el paciente. Normalmente, la zona cerebral enferma se trata en su parte central empleando un único foco. Sin embargo, enfermedades como el Alzheimer o el Parkinson requieren un tratamiento sobre estructuras de geometría compleja y tamaño elevado, situadas en ambos hemisferios cerebrales. Por tanto, la tecnología actual está muy limitada al no cumplir dichos requisitos. Esta tesis doctoral tiene como objetivo el desarrollo de una técnica novedosa, basada en hologramas acústicos, para resolver las limitaciones presentes en los tratamientos neurológicos empleando ultrasonidos. Se estudian las lentes acústicas holográficas impresas en 3D, que acopladas a un transductor mono-elemento, permiten el control preciso del frente de onda ultrasónico tanto para (1) compensar las distorsiones que sufre el haz hasta alcanzar el cerebro, como (2) focalizarlo simultáneamente en regiones múltiples y de geometría compleja o formando de vórtices acústicos, proporcionando así efectividad en tiempo y coste. Por ello, la investigación desarrollada en esta tesis abre un camino prometedor en el campo de la biomedicina que permitirá mejorar los tratamientos neurológicos, además de aplicaciones en neuroestimulación o ablación térmica del tejido. / [CA] El tractament de malalties neurològiques està molt limitat per la ineficient penetració del fàrmac en el teixit cerebral danyat a causa de la barrera hematoencefàlica (BHE), i així no és possible una millora de salut del pacient. La BHE és un mecanisme de protecció natural per a evitar la difusió d'agents potencialment perillosos per al Sistema Nervios Central. No obstant això, aquesta barrera es pot inhibir mitjancant una tecnologia emprada mundialment basada en ultrasons focalitzats i injeccio de microbombolles. El principal avantatge és el seu caràcter no invasiu, sent així molt atractiva i còmoda per al pacient, i permet obrir la BHE de manera segura, localitzada i transitòria. Normalment, la zona cerebral malalta es tracta en la seua part central, emprant un unic focus. No obstant això, malalties com l'Alzheimer o el Parkinson requereixen un tractament al llarg d'estructures de geometria complexa i grandària elevada, situades en tots dos hemisferis cerebrals. Per tant, la tecnologia actual està fortament limitada al no complir amb aquests requeriments. Aquesta tesi doctoral està enfocada a investigar i desenvolupar una tècnica nova, basada en hologrames acústics, per a solucionar les limitacions presents en els tractaments neurològics. Una lent acústica holograca de baix cost impresa en 3D acoblada a un transductor d'element simple permet el control precs del front d'ona ultrasònic punt per a (1) compensar les distorsions que pateix el feix en el seu camí cap al cervell, i (2) focalització simultània del feix en regions multiples i de geometria complexa, proporcionant aix un tractament efectiu en temps i cost. Per això, la investigació desenvolupada en aquesta tesi demostra la possibilitat de realitzar qualsevol tractament neurològic, a més d'aplicacions en la neuroestimulació o l'ablació tèrmica dins del camp biomèdic. / [EN] Treatments for neurological diseases are strongly limited by the inefficient penetration of therapeutic drugs into the diseased brain due to the blood-brain barrier (BBB), and therefore no health improvement can be achieved. In fact, the BBB is a protection mechanism of the human body to avoid the diffusion of potentially dangerous agents into the central nervous system. Nevertheless, this barrier can be successfully inhibited by using a worldwide spread technology based on microbubble-enhanced focused ultrasound. Its main advantage is its non-invasive nature, thus defining a patient-friendly clinical procedure that allows to disrupt the BBB in a safe, local and transient manner. Conventionally, the diseased brain structure has been targeted in its center, with a single focus. However, Alzheimer's or Parkinson's Diseases do require that ultrasound is delivered to entire, complex-geometry and large-volume structures located at both hemispheres of the brain. Therefore, current technology presents several limitations as it does not fulfill these requirements. This doctoral thesis aims to develop a novel technique based on using focused ultrasound acoustic holograms to solve the existing limitations to treat neurological diseases. In this dissertation, we study 3D-printed holographic acoustic lenses coupled to a single-element transducer that allow to accurately control the acoustic wavefront to both (1) compensate distortions suffered by the beam in its path to the brain, and (2) simultaneous focusing in multiple and complex-geometry structures or acoustic vortex generation, providing a time- and cost- efficient procedure. Therefore, the research carried out throughout this thesis opens a promising path in the biomedical field to improve the treatment for neurological diseases, neurostimulation or tissue ablation applications. / Acknowledgments to the Spanish institution Generalitat Valenciana, which funding grant allowed me to develop this doctoral thesis, and as well funded my research stay at Columbia University. The development of the entire thesis was supported through grant Nª. ACIF/2017/045. Particularly, the research carried out in Chapter 3 and Chapter 4 was possible thanks to and supported through grant BEFPI/2019/075. Action co-financied by the Agència Valenciana de la Innovació through grant INNVAL10/19/016 and by the European Union through the Programa Operativo del Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER) of the Comunitat Valenciana 2014-2020 (IDIFEDER/2018/022). / Jiménez Gambín, S. (2021). Transcranial Ultrasound Holograms for the Blood-Brain Barrier Opening [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/171373

Tesis por compendio / [ES] Esta tesis se enmarca en el campo de las Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (TIC), especialmente en el área del procesado digital de la señal. En la actualidad, y debido al auge del Internet de los cosas (IoT), existe un creciente interés por las redes de sensores inalámbricos (WSN), es decir, redes compuestas de diferentes tipos de dispositivos específicamente distribuidos en una determinada zona para realizar diferentes tareas de procesado de señal. Estos dispositivos o nodos suelen estar equipados con transductores electroacústicos así como con potentes y eficientes procesadores con capacidad de comunicación. En el caso particular de las redes de sensores acústicos (ASN), los nodos se dedican a resolver diferentes tareas de procesado de señales acústicas. El desarrollo de potentes sistemas de procesado centralizado han permitido aumentar el número de canales de audio, ampliar el área de control o implementar algoritmos más complejos. En la mayoría de los casos, una topología de ASN distribuida puede ser deseable debido a varios factores tales como el número limitado de canales utilizados por los dispositivos de adquisición y reproducción de audio, la conveniencia de un sistema escalable o las altas exigencias computacionales de los sistemas centralizados. Todos estos aspectos pueden llevar a la utilización de nuevas técnicas de procesado distribuido de señales con el fin de aplicarlas en ASNs. Para ello, una de las principales aportaciones de esta tesis es el desarrollo de algoritmos de filtrado adaptativo para sistemas de audio multicanal en redes distribuidas. Es importante tener en cuenta que, para aplicaciones de control del campo sonoro (SFC), como el control activo de ruido (ANC) o la ecualización activa de ruido (ANE), los nodos acústicos deben estar equipados con actuadores con el fin de controlar y modificar el campo sonoro. Sin embargo, la mayoría de las propuestas de redes distribuidas adaptativas utilizadas para resolver problemas de control del campo sonoro no tienen en cuenta que los nodos pueden interferir o modificar el comportamiento del resto. Por lo tanto, otra contribución destacable de esta tesis se centra en el análisis de cómo el sistema acústico afecta el comportamiento de los nodos dentro de una ASN. En los casos en que el entorno acústico afecta negativamente a la estabilidad del sistema, se han propuesto varias estrategias distribuidas para resolver el problema de interferencia acústica con el objetivo de estabilizar los sistemas de ANC. En el diseño de los algoritmos distribuidos también se han tenido en cuenta aspectos de implementación práctica. Además, con el objetivo de crear perfiles de ecualización diferentes en zonas de escucha independientes en presencia de ruidos multitonales, se han presentado varios algoritmos distribuidos de ANE en banda estrecha y banda ancha sobre una ASN con una comunicación colaborativa y compuesta por nodos acústicos. Se presentan además resultados experimentales para validar el uso de los algoritmos distribuidos propuestos en el trabajo para aplicaciones prácticas. Para ello, se ha diseñado un software de simulación acústica que permite analizar el rendimiento de los algoritmos desarrollados en la tesis. Finalmente, se ha realizado una implementación práctica que permite ejecutar aplicaciones multicanal de SFC. Para ello, se ha desarrollado un prototipo en tiempo real que controla las aplicaciones de ANC y ANE utilizando nodos acústicos colaborativos. El prototipo consiste en dos sistemas de control de audio personalizado (PAC) compuestos por un asiento de coche y un nodo acústico, el cual está equipado con dos altavoces, dos micrófonos y un procesador con capacidad de comunicación entre los dos nodos. De esta manera, es posible crear dos zonas independientes de control de ruido que mejoran el confort acústico del usuario sin necesidad de utilizar auriculares. / [CA] Aquesta tesi s'emmarca en el camp de les Tecnologies de la Informació i les Comunicacions (TIC), especialment en l'àrea del processament digital del senyal. En l'actualitat, i a causa de l'auge de la Internet dels coses (IoT), existeix un creixent interés per les xarxes de sensors sense fils (WSN), és a dir, xarxes compostes de diferents tipus de dispositius específicament distribuïts en una determinada zona per a fer diferents tasques de processament de senyal. Aquests dispositius o nodes solen estar equipats amb transductors electroacústics així com amb potents i eficients processadors amb capacitat de comunicació. En el cas particular de les xarxes de sensors acústics (ASN), els nodes es dediquen a resoldre diferents tasques de processament de senyals acústics. El desenvolupament de potents sistemes de processament centralitzat han permés augmentar el nombre de canals d'àudio, ampliar l'àrea de control o implementar algorismes més complexos. En la majoria dels casos, una topologia de ASN distribuïda pot ser desitjable a causa de diversos factors tals com el nombre limitat de canals utilitzats pels dispositius d'adquisició i reproducció d'àudio, la conveniència d'un sistema escalable o les altes exigències computacionals dels sistemes centralitzats. Tots aquests aspectes poden portar a la utilització de noves tècniques de processament distribuït de senyals amb la finalitat d'aplicar-les en ASNs. Per a això, una de les principals aportacions d'aquesta tesi és el desenvolupament d'algorismes de filtrat adaptatiu per a sistemes d'àudio multicanal en xarxes distribuïdes. És important tindre en compte que, per a aplicacions de control del camp sonor (SFC), com el control actiu de soroll (ANC) o l'equalització activa de soroll (ANE), els nodes acústics han d'estar equipats amb actuadors amb la finalitat de controlar i modificar el camp sonor. No obstant això, la majoria de les propostes de xarxes distribuïdes adaptatives utilitzades per a resoldre problemes de control del camp sonor no tenen en compte que els nodes poden modificar el comportament de la resta. Per tant, una altra contribució destacable d'aquesta tesi se centra en l'anàlisi de com el sistema acústic afecta el comportament dels nodes dins d'una ASN. En els casos en què l'entorn acústic afecta negativament a l'estabilitat del sistema, s'han proposat diverses estratègies distribuïdes per a resoldre el problema d'interferència acústica amb l'objectiu d'estabilitzar els sistemes de ANC. En el disseny dels algorismes distribuïts també s'han tingut en compte aspectes d'implementació pràctica. A més, amb l'objectiu de crear perfils d'equalització diferents en zones d'escolta independents en presència de sorolls multitonales, s'han presentat diversos algorismes distribuïts de ANE en banda estreta i banda ampla sobre una ASN amb una comunicació col·laborativa i composta per nodes acústics. Es presenten a més resultats experimentals per a validar l'ús dels algorismes distribuïts proposats en el treball per a aplicacions pràctiques. Per a això, s'ha dissenyat un programari de simulació acústica que permet analitzar el rendiment dels algorismes desenvolupats en la tesi. Finalment, s'ha realitzat una implementació pràctica que permet executar aplicacions multicanal de SFC. Per a això, s'ha desenvolupat un prototip en temps real que controla les aplicacions de ANC i ANE utilitzant nodes acústics col·laboratius. El prototip consisteix en dos sistemes de control d'àudio personalitzat (PAC) compostos per un seient de cotxe i un node acústic, el qual està equipat amb dos altaveus, dos micròfons i un processador amb capacitat de comunicació entre els dos nodes. D'aquesta manera, és possible crear dues zones independents de control de soroll que milloren el confort acústic de l'usuari sense necessitat d'utilitzar auriculars. / [EN] This thesis fits into the field of Information and Communications Technology (ICT), especially in the area of digital signal processing. Nowadays and due to the rise of the Internet of Things (IoT), there is a growing interest in wireless sensor networks (WSN), that is, networks composed of different types of devices specifically distributed in some area to perform different signal processsing tasks. These devices, also referred to as nodes, are usually equipped with electroacoustic transducers as well as powerful and efficient processors with communication capability. In the particular case of acoustic sensor networks (ASN), nodes are dedicated to solving different acoustic signal processing tasks. These audio signal processing applications have been undergone a major development in recent years due in part to the advances made in computer hardware and software. The development of powerful centralized processing systems has allowed the number of audio channels to be increased, the control area to be extended or more complex algorithmms to be implemented. In most cases, a distributed ASN topology can be desirable due to several factors such as the limited number of channels used by the sound acquisition and reproduction devices, the convenience of a scalable system or the high computational demands of a centralized fashion. All these aspects may lead to the use of novel distributed signal processing techniques with the aim to be applied over ASNs. To this end, one of the main contributions of this dissertation is the development of adaptive filtering algorithms for multichannel sound systems over distributed networks. Note that, for sound field control (SFC) applications, such as active noise control (ANC) or active noise equalization (ANE), acoustic nodes must be not only equipped with sensors but also with actuators in order to control and modify the sound field. However, most of the adaptive distributed networks approaches used to solve soundfield control problems do not take into account that the nodes may interfere or modify the behaviour of the rest. Therefore, other important contribution of this thesis is focused on analyzing how the acoustic system affects the behavior of the nodes within an ASN. In cases where the acoustic environment adversely affects the system stability, several distributed strategies have been proposed for solving the acoustic interference problem with the aim to stabilize ANC control systems. These strategies are based on both collaborative and non-collaborative approaches. Implementation aspects such as hardware constraints, sensor locations, convergenge rate or computational and communication burden, have been also considered on the design of the distributed algorithms. Moreover and with the aim to create independent-zone equalization profiles in the presence of multi-tonal noises, distributed narrowband and broadband ANE algorithms over an ASN with a collaborative learning and composed of acoustic nodes have been presented. Experimental results are presented to validate the use of the distributed algorithms proposed in the work for practical applications. For this purpose, an acoustic simulation software has been specifically designed to analyze the performance of the developed algorithms. Finally, the performance of the proposed distributed algorithms for multichannel SFC applications has been evaluated by means of a real practical implementation. To this end, a real-time prototype that controls both ANC and ANE applications by using collaborative acoustic nodes has been developed. The prototype consists of two personal audio control (PAC) systems composed of a car seat and an acoustic node, which is equipped with two loudspeakers, two microphones and a processor with communications capability. In this way, it is possible to create two independent noise control zones improving the acoustic comfort of the user without the use of headphones. / Antoñanzas Manuel, C. (2019). Distributed and Collaborative Processing of Audio Signals: Algorithms, Tools and Applications [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/130209 / Compendio

Devido à sua importância em turbulência causada por ondas de deriva e à aplicação com propósitos em diagnósticos de plasma, a investigação de fluxos zonais (ZF) e modos acústicos geodésicos (GAM) tem atraído bastante atenção na literatura em física de plasmas. Nesta tese, primeiramente consideramos efeitos de equilíbrio com rotação poloidal e toroidal nestes modos, posteriormente investigamos efeitos diamagnéticos em GAM a partir de um modelo de dois fluido, no qual incluímos viscosidade paralela de íons e, na parte final, consideramos amortecimento de Landau e efeitos diamagnéticos simultaneamente no estudo de GAM, porém, a partir do modelo girocinético. Efeitos diamagnéticos são causados por termos que envolvem gradientes de densidade e de temperatura provenientes da função Maxwelliana de equilíbrio. O acoplamento entre os harmônicos poloidais, $m = \\pm1$, e as derivadas radiais de quantidades macroscópicas do plasma é responsável pelo aumento no valor da frequência no GAM de alta frequência e pela instabilidade no GAM de baixa frequência. Este tipo de instabilidade, que é proporcional à frequência diamagnética de elétrons e à razão entre os gradientes de temperatura e de densidade, é mais propenso a ocorrer em posições radiais em que o fator segurança é alto. Modos geodésicos são fracamente amortecidos devido a um mecânismo não colisional conhecido por amortecimento de Landau, o qual é causado pela interação entre a onda eletrostática e partículas carregadas, íons no caso, e a taxa de amortecimento é maior próximo ao centro da coluna de plasma, onde o fator de segurança assume valores mais baixos. O equilíbrio MHD com rotação foi investigado em três regimes com relação às superfícies magnéticas: isotérmico, adiabático e isométrico. Foi observado que o gradiente de temperatura possui sentido oposto em relação à velocidade de rotação poloidal apenas no regime isométrico. Ao considerar equilíbrio com rotação e superfícies magnéticas isotérmicas e incluir fluxo de calor na equação da energia, observamos que ZF apresentam frequência não-nula, a qual é proporcional à velocidade de rotação poloidal e inversamente proporcional ao fator de segurança. Como direções futuras ressaltamos que é importante considerar efeitos eletromagnéticos, estudar automodos geodésicos e incluir o efeito de partículas aprisionadas para o desenvolvimento da física de ZF e GAM. Tal desenvolvimento beneficiará tanto a área de transporte em tokamaks como a área de diagnósticos, na qual a obtenção do perfil radial da temperatura de íons e do fator de segurança é um dos objetivos. Nesta área, um novo tipo de diagnóstico conhecido como espectroscopia em modos acústicos geodésicos está sendo desenvolvido baseado no estudo de automodos. / Due to the important role in drift wave turbulence and applications for plasma diagnostic purposes, the investigation of zonal flows (ZF) and associated geodesic acoustic modes (GAM) has arisen much attention in the plasma physics literature. In this thesis, first we consider equilibrium poloidal and toroidal rotation effects on these modes using the ideal MHD model, then we investigate diamagnetic effects on GAM using a two fluid model that includes parallel ion viscosity, and, in the final step, we include both Landau damping and diamagnetic effects on the study of GAM within the framework of the gyrokinetic model. By diamagnetic effects we mean the density and temperature radial gradients terms coming from the equilibrium Maxwellian distribution function. The effects caused by the coupling between the $m = \\pm1$ poloidal harmonics and the radial derivatives of equilibrium macroscopic quantities are responsible for an increase in the frequency value of the high frequency GAM and for an instability in the low frequency GAM. This instability, which is proportional to the electron drift frequency and the ratio between ion temperature and density gradients, are more likely to occur in radial positions where the safety factor is high. We observe that geodesic modes are slowly damped by a collisionlees mechanism known as Landau damping which is caused by the wave particle interaction between the eletrostatic potential and the íons. This damping is enhanced near the center of the plasma column, where the safety factor has lower values. Equilibrium MHD with plasma rotation were investigated in three regimes regarding the magnetic surfaces: isotherm, adiabatic and isometric. It is found that the temperature gradient has opposite directions compared to the poloidal rotation only for the isometric regime. By considering equilibrium rotation with isotherm magnetic surfaces and including heat flux we observed that ZF has a non-zero frequency which is proportional to the poloidal velocity and the inverse of the safety factor. For future directions we point out that electromagnetic effects, geodesic eigenmodes and trapped particles physics should be important for the development of the ZF and GAM physics, either in the area of anomalous transport caused by drift wave turbulence or for diagnostic purposes for obtaining the radial profile of the ion temperature and the safety factor. In this area, a new kind of diagnostic known as geodesic acoustic mode spectroscopy is being developing based on the study of eigenmodes.